Forstærkede nanorør kan drive fremtiden

Forskere fra Rice University har opnået et afgørende gennembrud i udviklingen af ​​et kabel, der vil gøre fremtidens effektive elnet muligt.

Lænestols kvantetråd (AQW) vil være en vævning af metalliske nanorør, der kan bære elektricitet med ubetydeligt tab over lange afstande. Det vil være en ideel erstatning for landets kobberbaserede net, som lækker elektricitet med anslået 5 procent pr. 100 miles af transmission, sagde riskemiker Andrew R. Barron, forfatter til et papir om det seneste skridt fremad, offentliggjort online af tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver.

En stor teknisk forhindring i udviklingen af ​​dette "mirakelkabel, " sagde Barron, er fremstilling af enorme mængder metalliske enkeltvæggede kulstofnanorør, døbte lænestole for deres unikke form. Lænestole er bedst til at bære strøm, men kan endnu ikke laves alene. De vokser i partier med andre slags nanorør og skal adskilles, hvilket er en vanskelig proces, da et menneskehår er 50, 000 gange større end et enkelt nanorør.

Barrons laboratorium demonstrerede en måde at tage små partier af individuelle nanorør og gøre dem dramatisk længere. Ideelt set lange lænestols nanorør kunne skæres, gensået med katalysator og gendyrket på ubestemt tid.

Papiret er skrevet af kandidatstuderende og førsteforfatter Alvin Orbæk, bachelorstuderende Andrew Owens og Barron, Charles W. Duncan Jr.-Welch professor i kemi og professor i materialevidenskab.

Amplifikation af nanorør blev set som et vigtigt skridt mod den praktiske fremstilling af AQW af den afdøde Rice professor, nanoteknologipioneren og nobelpristageren Richard Smalley, som arbejdede tæt sammen med Barron og Rice kemiker James Tour, T.T. og W.F. Chao Chair i kemi samt professor i maskinteknik og materialevidenskab og i datalogi, at udstikke en vej for dens udvikling.

Barron pålagde Orbæk opgaven at følge op, da han kom til laboratoriet for fem år siden. "Da jeg første gang hørte om Rice University, det var på grund af Rick Smalley og kulstof nanorør, sagde Orbæk, indfødt i Irland. "Han havde en stor global tilstedeværelse med hensyn til nanoteknologi, og det nåede mig.

"Så jeg var glad for at komme her og opdage, at jeg ville arbejde på vækst af nanorør, der var relateret til Smalleys arbejde."

Orbæk sagde, at han ikke har forvildet sig langt fra Barrons oprindelige retning, hvilket involverede kemisk fastgørelse af en jern/cobolt-katalysator til enderne af nanorør og derefter finjustering af temperaturen og miljøet, hvori amplifikation kunne forekomme.

"Min gruppe, med Smalley og Tours gruppe, viste, at du kunne gøre dette -- men i den første demonstration, vi har kun ét rør at vokse ud af hundreder eller tusinder, " sagde Barron. Efterfølgende eksperimenter hævede udbyttet, men rørvæksten var minimal. I andre forsøg, katalysatoren ville bogstaveligt talt spise - eller "ætse" - nanorørene, han sagde.

Forfining af processen har taget år, men udbyttet er klart, fordi op til 90 procent af nanorørene i en batch nu kan forstærkes til betydelige længder, sagde Barron. De seneste eksperimenter fokuserede på enkeltvæggede kulstofnanorør af forskellige chiraliteter, men forskerne mener, at resultaterne ville være lige så gode, og nok endnu bedre, med et parti uberørte lænestole.

Nøglen var at finde den rigtige balance mellem temperaturer, pres, reaktionstider og katalysatorforhold for at fremme vækst og forsinke ætsning, sagde Barron. Mens den første vækst fandt sted ved 1, 000 grader Celsius, forskerne fandt, at forstærkningstrinnet krævede at sænke temperaturen med 200 grader, ud over at justere kemien for at maksimere udbyttet.

"Det, vi kommer til, er det søde sted, hvor de fleste af nanorørene vokser, og ingen af ​​dem ætser, " sagde Barron.

Wade Adams, direktør for Rices Richard E. Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology og hovedefterforsker på AQW-projektet, sammenlignede teknikken med at lave surdejsbrød. "Du laver en lille batch af rene metalliske materialer og forstærker det så enormt for at lave en stor mængde. Dette er et vigtigt skridt i udviklingen af ​​videnskaben til at lave AQW.

Adams bemærkede, at otte Rice-professorer og snesevis af deres studerende arbejder på aspekter af AQW. "Vi ved, hvordan man spinder nanorør til fibre, og deres egenskaber forbedres også hurtigt, " sagde han. "Alt dette skal nu samles i et stort program for at omdanne kvanteledninger til et produkt, der vil transportere enorme mængder elektricitet rundt om i verden."

Barron og hans team fortsætter med at finjustere deres proces og håber, at de inden sommerens slutning kan begynde at forstærke nanorør til lænestole med det mål at lave store mængder ren metallisk. "Vi lærer altid mere om de mekanismer, hvorved nanorør vokser, sagde Orbæk, der ser slutspillet som udviklingen af ​​en enkelt ovn til at dyrke nanorør fra bunden, dæk dem med ny katalysator, forstærke dem og udsende en jævn strøm af fiber til kabler.

"Det, vi har gjort, er et lille skridt, " sagde han. "Men det bekræfter, at i det store billede, lænestol kvantetråd er teknisk muligt."

Orbaek sagde, at han er begejstret for at spille en rolle i at opnå forstærkning, som Smalley anerkendte som nødvendig for sin drøm om et effektivt energinet, der ville katalysere løsninger på mange af verdens problemer.

"Jeg ville elske at møde ham nu for at sige, 'Hej, mand, du havde ret, '" han sagde.